关于油页岩干馏本体能耗的试验研究

周 新 徐 鹏 钟 瑜 黄 磊

(合肥通用机械研究院)

油页岩(又称油母页岩)是一种高灰分的固体可燃有机矿产，低温干馏后可得到页岩油。页岩油类似于原油，可以制成汽油、柴油或作为燃料油。油页岩作为一种非常规油气资源，其储量十分丰富而且分布集中，被列为21世纪重要的接替能源。近年来，我国原油对外依存度不断提高，2011年原油进口量达2.4亿t，对外依存度约为57%，给我国的能源安全带来较大压力[1]。我国油页岩资源丰富，已探明的资源量达315亿t，预测资源量为4 520亿t[2]，技术可采资源量约2 400亿t，理论上可回收干馏油约100亿t，因此，加快油页岩的开发利用对促进国内非常规石油开发、增加国内油气资源供给和保障能源安全具有重要意义[1]。

1 油页岩干馏本体能耗构成探讨

油页岩的利用主要集中在提炼页岩油和发电上，因此干馏工艺和燃烧锅炉的发展直接影响其使用效果。降低成本、注重环保和充分利用资源的要求促进了油页岩利用技术的革新，主要表现在干馏工艺和燃烧锅炉的改进上[2]。在设计燃烧锅炉的能源配给时，主要考虑油页岩的本体耗能、系统漏热及能源回收利用等方面，其中，比较核心的参数就是油页岩的本体耗能。

油页岩主要包括油母、水分和矿物质。油母是复杂的高分子有机化合物，富含脂肪烃结构，其含量约为10%～50%(干基)；水分的含量与矿物质颗粒间的微孔结构有关，一般为为4%～25%不等；矿物质主要有石英、高岭土、粘土、云母、碳酸盐岩及硫铁矿等。

油页岩干馏过程所需热量主要包括两部分：

a. 干馏反应吸热，主要是油页岩油母质的热解吸热。油页岩受热后，油母质受热分解产生页岩油蒸汽、热解气体混合物和固定碳，矿物质和固定碳形成页岩半焦，而且一部分矿物质也可能受热分解，释放出化合水和二氧化碳。

b. 加热油页岩至干馏温度所需的热量，即提高其显热。这部分显热占干馏过程所需热量的大部分，首先由热载体(气体或固体)将热量传至油页岩表面，然后由表面向内部进行传热，在这个过程中油页岩干燥脱水(表面水和部分吸附水)，同时放出包藏的少量气体[3]。

油页岩干馏是一个非常复杂的物理和化学相结合的物性变化过程，仅依据油页岩各成分的物性变化参数进行计算是不全面的。笔者针对油页岩干馏过程中的本体耗能情况，研究了试样干馏试验，以期为工业化生产过程中燃烧锅炉的设计提供数据资料。

2 油页岩干馏试验

试验参照SH/T 0508-1992，并按图1搭建试验装置[4]。其中，冷接点恒温器和高温计由数字调节表代替，恒温测试房的干球温度恒温控制在20±0.3℃，迎面风速小于0.5m/s，试验所用油页岩试样产于陕西铜川，经粉碎、筛选和干燥处理后粒度小于3mm。铝甄依据SH/T 0508-1992的要求特制，加热炉配置电加热管，其总加热量为4kW。冷却槽与冰用于冷却接收器、冷凝油气。笔者选用250mL的三角瓶作为接收器。用于测量铝甄温度的K型热电偶其测量范围为-200～1 300℃；UP55A系列(YOKOGAWA)数字调节表用于显示、调节铝甄温度；WT230系列(YOKOGAWA)功率采集仪用于计算加热炉耗电参数；34980A系列(Agilent)数据采集器用于采集铝甄温度和加热炉耗电参数。测试软件自主开发，能够显示、计算测试数据，监控各参数的变化过程曲线。

图1 含油率测定装置

试验过程依据表1所示的铝甄升温速度进行[4]，并分别进行铝甄空载、50g试样、100g试样的干馏试验共计4次，其中，50g试样干馏试验进行两次(50g-1和50g-2)，通过两次试验结果的重复性验证试验装置测试的有效性。

表1 铝甄升温速度

在试验过程中，炉体温度与外界环境温度相差很大，输入的大部分电加热量都未能有效地用于铝甄的升温，而炉体漏热量测量的难度比较大，因此为保证各次试验数据具有可比性，需将漏热量对分析数据的影响降到最小。加热炉漏热量会因每次试验时周围环境温度和空气流速的不一致而不同，为使各次试验的漏热量大致相同，需将装置放置在一个干球温度恒温控制在20±0.3℃、迎面风速小于0.5m/s的恒温测试房内，且与侧墙或天花板的距离大于1m[5]。

铝甄材料决定了其热容量比较大，如果两次试验之间铝甄没有足够的时间冷却，则所测得的温度是不准确的，因此实际操作时，需将铝甄在一周期试验结束后自然冷却12h再开始下一周期试验。

综合以上两方面的措施，可以认定每次试验时铝甄的起始状态是一致的，加热炉的漏热量也是一致的。

3 试验结果分析

4次试验采用软件监控记录各参数的变化轨迹，其曲线如图2～5所示。

图2 铝甄空载时参数变化轨迹(2013-02-03)

图3 50g-1试样的参数变化轨迹(2013-01-31)

图4 50g-2试样的参数变化轨迹(2013-03-05)

图5 100g试样的参数变化轨迹(2013-01-29)

进行4次试验时，因为数字调节表跟踪调节的特点，各试验段未能完全按照表1各段所需时间实现；但随着试验的进行，各试验段所需时间的总和越来越接近表1要求时间的总和。油页岩试样干馏耗电量参数与试验时间总和成正函数关系，而试验过程总耗时与表1要求基本一致，因此所测耗电量参数与理论值相差不大，由此可以认为，整个试验是成功的，试验结果是有效的。

4次试验中，20～185℃试验段所需时间都较长，超过表1所要求的10min，而且加热炉配置的电加热已满负荷运行，因此电加热管总加热量4kW偏小，不能满足该段试验室升温速度的要求。为使升温速度能与表1一致，可以通过适当加大电加热量或优化装置结构减少能耗来达到目的。

4次试验中，185～300℃试验段所需时间都较短，达不到表1所要求的10min，而且加热炉配置的电加热未能达到零输出，因此数字调节表的设置不合理，未能快速跟踪铝甄温度，及时调节电加热的输出。

从图2可以看出，三角瓶(接收器)的入口压力在铝甄温度达到450℃左右时发生骤降，此时由于油页岩试样产生的大量油气使压力达到了排水所需压力，打破了水的液面平衡，水由集气瓶流向集水瓶，因此页岩干馏从450℃左右开始生成大量油气。

4次试验能耗数据见表2，50g试样干馏试验前后两次总耗电量偏差0.96%，小于1.00%，数据重复性较好，因此认为该试验装置的测试较为准确。取两次50g试样测试结果的算术平均值用于计算，则50g试样本体耗电量为：50g试样总耗电减去铝甄空载总耗电量约为0.108kW·h或100g试样总耗电量减去50g试样总耗电量约为0.121kW·h。两个数据相差11.46%，但数量级是一致的，偏差的产生可能是由试样的有无或多少引起的，此处不再深入研究。由此可以认为，在整个70min的试验过程中，50g粒度小于3mm并经干燥处理过的油页岩试样本体耗能为0.121kW·h=435.6kJ(取大者)。

表2 4次试验能耗数据

空载试验时，油页岩试样总耗电量达3.510kW·h，而50g试样仅耗能0.121kW·h，由此可知装置的漏热和铝甄的升温消耗了大部分电能，投入的能源没有得到很好的利用。为使能源的利用率提高，可以对装置和铝甄做进行优化：装置的漏热问题可以通过优化炉体结构、提高装置的保温和密封来实现；可以通过更改试样容器的材料(如不锈钢、合金材料)、优化试样容器结构(如降低容器壁厚)来降低其升温能耗。

4 结束语

通过对特定油页岩多次干馏试验结果进行数据整理和分析，得到了油页岩在干馏过程中的产气规律，并计算了油页岩试样本体能耗值，发现所使用的干馏试验装置漏热量过大，浪费了能源，应优化试样容器结构、提高装置的保温和密封。同时，为工业化大规模生产设备的选型和设计提供些数据参考。

[1] 北极星电力网新闻中心.我国油页岩资源丰富，或成为发电新宠[EB/OL]．http://news.bjx.com. cn/html/20120829/ 384102.shtml．2012-08-29．

[2] 陈惠.页岩油调油领域遇瓶颈，深加工领域有待进一步开发[EB/OL]．http://oil.chem qq.comlnews/9807096.html．2012-08-20．

[3] 钱家麟，尹亮．油页岩——石油的补充能源[M]．北京：中国石化出版社，2008．

[4] SH/T 0508-1992，油页岩含油率测定法(低温干馏法)[S]．抚顺：抚顺石油化工研究院，1992．

[5] GB/T 7725-2004，房间空气调节器[S]．北京：全国家用电器标准化技木获员会，2004．